Водородное топливо приходит на смену дизельному
С каждым годом количество автомобилей в мире растет все более быстрыми темпами. Эксперты оценивали их количество в 250 млн в 1970 г., 500 млн – в 1986-м, 1,015 млрд в 2010 г. Последние данные опубликовала Международная ассоциация автопроизводителей (OICA) в 2015 г. По данным экспертов, на тот момент в мире эксплуатировалось 947 млн легковых и 335 млн коммерческих автомобилей. В России к 2020 г. зарегистрировано 60,5 млн автомашин. По прогнозам специалистов, к 2050 г. по земным дорогам будут колесить свыше 2,4 млрд автомобилей. Такая динамика приносит с собой серьезные проблемы: значительный рост использования ископаемого топлива, ухудшение окружающей среды и добавление числа смертей от транспортных происшествий и загрязнения воздуха. В попытке слезть с нефтяной иглы правительства многих стран ужесточают экологические нормы и всячески стремятся популяризировать автомобили, работающие на электричестве.
Дизель уже дискредитирован усилиями прессы, экологов и различных лоббистов, но переход на электрокары идет медленно: они дорого стоят и все еще плохо приспособлены для повседневных нужд. В 2018 г. из 94 млн автомобилей было продано только 2 млн гибридов и чистых электрокаров. Впрочем, в Китае – мировом лидере в области разработки и использования электромобилей – уже создан вполне доступный по цене (от $22 000) Hozon U с запасом хода на одной подзарядке 660 км – разработка одноименной электростроительной корпорации.
Глобальные инвестиции в новые технологии на ближайшие пять лет должны составить €240 млрд, из которых 80% придется на «электрификацию» автотранспорта. Ожидается, что в 2021 г. появится более 30 новых моделей электрокаров, но нет никаких гарантий, что они будут успешно продаваться.
Не в фаворитах в мире и газомоторное топливо, которое по экологическим характеристикам гораздо безопаснее бензина. Но пока, как прогнозирует Международный газовый союз, объем рынка газовых автомобилей только растет.
Новая альтернатива
С начала индустриальной эпохи в мире наблюдается постоянное повышение уровня содержания углекислого газа в атмосфере. Данные специалистов-экологов показывают устойчивый рост средней концентрации атмосферного CO2 с начала индустриального периода к 2019 г. почти в 1,5 раза. С момента начала сжигания угля и нефти в промышленных масштабах, когда в атмосфере стало копиться дополнительное количество газа, CO2 приобрел репутацию убийцы климата. В 2009 г. примерно 25% выбросов углекислого газа в атмосферу Земли производилось в результате работы разного рода транспорта. По оценке Международного энергетического агентства (МЭА), уже к 2050 г. это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди, и т. д.
Сегодня в нашу реальность все больше проникают автомобили, работающие от электричества:
- чистые электромобили, работающие исключительно на батареях, которые требуют достаточно длительной зарядки;
- плагин-гибридные автомобили (подключаемые гибриды), которые при быстром ускорении задействуют традиционный двигатель, даже если заряда их батарей еще вполне хватает; заряжать их можно от сети, но заряда батарей на «чистый» пробег хватает всего на несколько десятков километров;
- гибридные автомобили, аккумуляторы которых могут заряжаться только энергией, производимой ДВС, а точнее, рекуперативной энергией, образующейся в процессе торможения или избыточной работы двигателя; гибриды способны проехать только на электротяге до 1,5 км на небольших скоростях и при небольшой снаряженной массе, основным преимуществом гибридов перед обычными автомобилями является меньший расход топлива;
- автомобили на топливных элементах, которые приводит в движение только электромотор, однако источником энергии для него являются не аккумуляторы, а хранящийся в специальном резервуаре сжатый водород; электромобили на топливных элементах не загрязняют окружающую среду, единственный побочный продукт их работы – это вода; автомобили на топливных элементах не нужно заряжать, их заправляют водородом на специальных заправочных станциях, причем процесс занимает менее 5 мин.
Но сегодня многие скептики сомневаются в счастливом будущем водородных технологий и считают эту ветвь развития абсолютно тупиковой. Илон Маск (CEO Tesla Motors) называет водородные топливные элементы элементами одурачивания.
Водородные технологии глазами критиков
1. Опасность использования водорода как топлива связана с двумя факторами: высокой летучестью водорода, из-за которой он проникает через очень небольшие зазоры, и легкость воспламенения. При этом есть опасность заполнения замкнутого пространства салона автомобиля водородом. 10 июня 2019 г. на водородной заправочной станции компании Uno-X в Саннвике (Норвегия) произошел мощный взрыв, причиной которого послужила утечка водорода из баллона высокого давления. В результате взрыва не было погибших, однако воздействие взрыва было столь велико, что ощущалось как землетрясение в радиусе 28 км.
2. Водородная силовая установка на базе традиционного ДВС значительно сложнее и дороже в обслуживании, чем обычный ДВС (особенно дизельный). По данным Массачусетского технологического института, эксплуатация водородного автомобиля на начальном этапе развития водородных технологий обходится в сто раз дороже, чем бензинового.
3. Отсутствие водородной инфраструктуры. Для заправки водородом требуется построить сеть заправочных станций. Для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким водородом, стоимость оборудования выше, чем для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким топливом (бензином, этанолом и дизельным топливом).
4. Несовершенные технологии хранения водорода. Современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объема топливных баков, чем для бензина.
5. Дороговизна производства водорода за счет расхода значительного количества электроэнергии.
6. Дороговизна водородных автомобилей по сравнению с электромобилями. По оценкам экспертов, автомобили на топливных элементах смогут быть конкурентными по цене с электромобилями не ранее 2030 г. Даже при субсидировании производителем водородный Hyundai ix35 Fuel Cell стоит $53 тыс., Toyota Mirai – $57 тыс., Honda Clarity – $59 тыс.
Водородные технологии получают государственную поддержку
В американском штате Калифорния законодательство изменилось так, что выпустить один автомобиль на водородных топливных элементах стало выгоднее в пять раз, чем электромобиль. О запрете дизельных и бензиновых двигателей всерьез задумались и власти стран Европы, обозначив дату полного запрета к 2030–2040 гг.
Согласно опубликованному в 2016 г. исследованию Bloomberg New Energy Finance, к 2040 г. ежегодные продажи электрокаров, часть из которых использует водородные ячейки, достигнут 35% от числа всех продаваемых машин. Этому немало будет способствовать снижение цен: по прогнозам, уже к 2025 г. стоимость электрокаров сравняется со средней ценой обычных автомобилей. Но вот на какие именно электромобили перейдет мир, единого мнения пока нет. Традиционные электрокары, работающие на аккумуляторах, уже добились определенной популярности: по дорогам планеты ездит более 2 млн таких машин, в Европе и США для них созданы сети заправок. Но у этих устройств немало недостатков: аккумуляторы теряют заряд на морозе, а их средний срок службы составляет 1–1,5 тыс. циклов, то есть при подзарядке два раза в сутки дорогостоящая батарея будет служить всего около 3–5 лет.
Достойной альтернативой аккумуляторам выглядят водородные топливные ячейки: они способны служить не менее 8–10 лет и практически не нуждаются в обслуживании. По своему КПД они оставили обычные бензиновые моторы далеко позади – в среднем 45% против 35, работают без вибраций и шума, а баллона размером со стандартный бензобак им хватает на то, чтобы проехать 500–600 км.
Водородные технологии наступают
У водородных двигателей долгая история. Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, создал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз еще в 1806 г. Водород изобретатель производил путем электролиза воды.
В 1941 г. в блокадном Ленинграде военный техник Борис Исаакович Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь для работы двигателей лебедок заградительных аэростатов. По воспоминаниям самого Шелища, на эту идею его вдохновил эпизод из романа Жюля Верна «Таинственный остров», в котором разложенная на водород и кислород вода называлась «топливом будущего». Стендовые испытания двигателя, проработавшего без остановки 200 часов, показали, что его износ оказался ниже норм, установленных при работе на бензине, двигатель не потерял мощности, в смазочном масле не нашли вредных примесей, а в камерах сгорания – и следов нагара. Особому испытанию подвергалась надежность гидрозатвора, от которого зависела безопасность. Поражают сроки реализации его водородного проекта: всего за 10 дней на водород перевели 200 грузовиков при высокой надежности техники. За всю войну из-за утечек водорода взорвалась всего одна машина из пятисот. А ведь для изготовления гидрозатворов пришлось использовать все, что было под руками: корпуса огнетушителей, водопроводные трубы…
Во время войны Шелищ оформил авторское свидетельство № 64209 на изобретение и обеспечил приоритет нашей страны в развитии энергетики будущего. После войны Борис Исаакович вернулся к своему блокадному изобретению лишь в середине 1970-х, когда получила широкое признание концепция «водородных» перспектив в мировой энергетике и стало известно о ведущихся с 1969 г. в США экспериментах по использованию водорода в качестве автомобильного топлива. В 1970-е годы в Балашихе и Загорске появились первые «водородные» легковушки, а в Харькове даже ездили «водородные» такси. К сожалению, практическое применение водородные автомобили получили за рубежом.
В 1979 г. компания BMW выпустила первый автомобиль, работающий на водороде. Однако нефтяные кризисы 1970-х, заставившие задуматься о разработке такого автомобиля, миновали, и вплоть до 2000-х автогиганты положили идею под сукно. В 2007 г. BMW выпустила первую серийную партию из ста автомобилей Hydrogen 7, способных работать как на бензине, так и на водороде. Однако дело ограничилось сотней машин: их технические характеристики оставляли желать лучшего. Компания выбрала тупиковый путь: гибридная модель сжигала водород в камере сгорания, и газового баллона в 8 кг хватало всего на 200–250 км. А стоил автомобиль на уровне топовых моделей концерна.
Другие компании извлекли из эксперимента BMW урок. Сейчас уже три фирмы серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках, использующих топливо более эффективно: в результате электрохимической реакции они вырабатывают энергию, которая подается на электрический двигатель. Первой работающей по такой схеме была машина Hyundai ix35 Fuel Cell, поступившая в автосалоны в начале 2013 г. Годом позже в Японии стартовали продажи Toyota Mirai, а в 2015–2016 гг. на японский и американский рынки вышла Honda Clarity.
В 2019 г. компания Grove Hydrogen Automotive представила первый легковой автомобиль китайского производства, работающий на водородном топливе. По сообщению разработчиков, машина способна проехать более 1000 км без дозаправки. Еще полтора десятка компаний в последние годы объявили о скором выпуске и о начале разработки таких автомобилей. Toyota создала новую версию Mirai на заднеприводной платформе TNGA-N, которая лежит в основе седана Toyota Crown для японского рынка. Благородные пропорции, длинный капот, сдвинутый назад салон, 20-дюймовые колеса – прекрасная современная машина! По сравнению с первым поколением Mirai стал на 85 мм длиннее (4975 мм), на 70 мм шире (1885 мм) и на 65 мм ниже (1470 мм).
Серийная Toyota Mirai второго поколения должна была появиться к концу 2020 г., а продавать ее намерены в Японии, Европе и США. Седан Toyota Mirai стал первым массовым автомобилем с водородной установкой: компания заявила, что за последние четыре года продала десять тысяч машин. По общим меркам автоиндустрии это совсем немного, но у других производителей, пробующих силы на ниве водорода, нет и этого показателя.
Совершенствование технологий позволило существенно удешевить производство: цена Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai – $57 тыс., Honda Clarity – $59 тыс. Тем не менее цены кажутся высокими по сравнению с обычными машинами: так, Hyundai ix35 с обычным двигателем стоит от $10 тыс. до $35 тыс. Да и сам водород пока обходится дороже бензина. Но инновационные автомобили не только чище, но и потенциально выгоднее. Согласно подсчетам бывшего главного исследователя по вопросам альтернативной энергии Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) Стива Хенча, использовать водород в качестве энергоносителя намного выгоднее, чем обычный бензин. Энергоемкость одного галлона (4,54 л) бензина и 1 кг водорода, эквивалентного ему по объему, почти одинакова: 130 против 130–140 мДж. Галлон бензина в США стоит около $2,90, 1 кг водорода обойдется дороже – в $8,6. Однако если учесть, что термодинамическая эффективность бензина составляет 20–25%, а водорода – 60% и более, получится, что топливные ячейки в 2,5–3 раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания. А значит, на том же объеме топлива водородные автомобили смогут проехать в 2,5–3 раза дольше.
Водородные грузовики начали свой путь к потребителям
Японская автомобилестроительная компания Toyota в 2018 г. презентовала водородный грузовой автомобиль, названный Project Portal Beta. Это уже второй тягач Toyota Motor North America Inc. (TMNA) с электрохимическими генераторами, представленный в США. Автомобиль Toyota Beta, как и Toyota Alpha, представленный в 2017 г., был построен в мастерских компании Ricardo в технологическом кампусе Детройта, расположенном в городе Бельвиль, штат Мичиган. Toyota и Ricardo использовали шасси капотного грузовика Kenworth. Специалисты Ricardo помогали инженерам Toyota в решении широкого круга вопросов, в том числе интеграции и размещении систем, включая топливные элементы, силовую электронику, водородные баки, системы охлаждения, аккумуляторные батареи, электродвигатели и элементы трансмиссии. Многие из вспомогательных систем, которые традиционно приводятся в движение ДВС, были электрифицированы, в том числе компрессор пневмосистемы грузовика, усилитель руля и система микроклимата, управление которой требовало интеграции в CAN-шину автомобиля.
Первый прототип водородного грузовика для грузоперевозок Toyota Alpha проехал более 16 тыс. км. Главный инженер компании Эндрю Лунд заявил, что первый прототип был создан, чтобы доказать жизнеспособность водородных грузовых автомобилей, а второй прототип в свою очередь должен доказать, что новый водородный грузовик лучше оригинального.
Project Portal Beta – это все еще экспериментальный транспорт, но уже с исправленными ошибками, которые обнаружились в первой версии водородной фуры. Также большегруз стал мощнее и сможет совершать более дальние рейсы. Toyota Alpha имел запас хода 320 км. В улучшенном варианте этот показатель удалось увеличить до 480 км. Мощность двигателя – 670 л.с, а максимальный крутящий момент – 1796 Н.м. Тягач получает энергию от связки водородных топливных элементов и электробатареи на 12 МВт.ч, что позволяет перевозить до 36 т груза. Японский производитель решил не медлить с выпуском этой модели. С момента появления концепции в 2016 г. до появления первого прототипа прошел всего год.
Осенью 2018 г. грузовик поступил в порты Лонг-Бич и Лос-Анджелеса. Там в реальных условиях доказывается жизнеспособность водородных грузовиков. Водород может стать хорошей топливной альтернативой для грузовиков, обслуживающих порты США. Сегодня экологи фиксируют все больший уровень загрязнения воздуха в районе портов, в частности, около таких крупных, как Лонг-Бич и Лос-Анджелес. Эти порты обслуживают в общей сложности 16 000 грузовиков, и по прогнозам, в ближайшие десять лет это число удвоится. Водородные технологии позволят пережить это удвоение с меньшим вредом для окружающей среды. Ближние перевозки, выполняемые в рамках вышеназванного проекта, показывают, что водородные автомобили являются лучшими кандидатами на роль транспорта с нулевым уровнем выбросов, считают в Toyota. При обслуживании портов нет необходимости строить обширную заправочную инфраструктуру, так как маршруты локализованы на относительно небольшой территории.
Надо добавить, что Project Portal включает в себя строительство первой в мире электростанции на карбонатных топливных элементах мегаваттного масштаба с водородной заправочной станцией в порту Лонг-Бич. Объект Tri-Gen будет использовать биоотходы, полученные при сельскохозяйственном производстве, для производства трех продуктов: воды, электричества и водорода. Последний будет использоваться как топливо для портовых грузовиков. Tri-Gen должен будет генерировать приблизительно 2,35 МВт электричества плюс 1,2 т водорода в день. Этого достаточно для движения почти 1500 автомобилей. Производство электроэнергии будет на 100% возобновляемым, обеспечивая операции компании Toyota Logistics Services (TLS) в порту и делая ее первым объектом Toyota в Северной Америке, использующим полностью возобновляемую энергию.
Toyota Motor Corporation разработала инновационные электрохимические генераторы Toyota FC Stack мощностью 114 кВт (154 л.с.) и систему привода Toyota Fuel Cell System (TFCS) для легкового автомобиля Mirai FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) – первого в мире серийного водородного автомобиля. Toyota FC Stack – инновационный продукт. При его создании была решена проблема с замерзанием выделявшейся воды в топливной ячейке – вода там полностью испаряется.
Два таких генератора используются в грузовиках Toyota Alpha/ Beta. Также используются литий-ионные аккумуляторы емкостью 12 кВт.ч как промежуточные накопители энергии.
В Японии Toyota Motor Corp. тяжелые грузовики не демонстрирует. Зато не так давно представила серийный водородный автобус Sora. Как и водородные грузовики Alpha и Beta, он оснащен двумя электрохимическими генераторами FC Stack. Это первый водородный автобус, получивший одобрение как транспортное средство в Японии. Первый проект с водородными автобусами был реализован в Канаде еще в 2010 г. к Олимпиаде в Ванкувере. Через несколько лет проект закрыли из-за дороговизны, так как даже водород приходилось привозить грузовиком. Можно предположить, что токийский опыт окажется более успешным.
Американская компания Nikola Motor Co. Представила свою версию грузовика с силовой установкой на водородных топливных ячейках – Nikola One в декабре 2016 г. в Солт-Лейк-Сити. В этой системе электричество, получаемое в ходе реакции водорода и кислорода, накапливается в батареях, которые питают электродвигатели. Дальность хода модели будет зависеть от выбора конфигурации баков и емкости батарей: от 1287 до 1931 км. Разработчики заявляют, что по расходу топлива тягач в полтора-два раза экономичнее сопоставимой по характеристикам модели на «тяжелом топливе». При этом Nikola One примерно на 900 кг легче аналогичной машины с классическим двигателем: масса составляет от 8,1 до 9,5 т в зависимости от версии. Одновременно с премьерой своего первого тягача компания рассказала о готовящейся более доступной версии – Nikola Two. Она будет отличаться уменьшенной кабиной без спального места.
Серийный выпуск водородных тягачей будет налажен на новом заводе фирмы, объем инвестиций в предприятие оценивается в миллиард долларов. Сообщалось, что на Nikola One уже поступило свыше семи тысяч заявок. Сумма заказов оценивается более чем в $2,3 млрд. Планируется вложить огромные средства в два основных направления развития. Во-первых, это создание мощной сети водородных заправок, во-вторых, центров обслуживания таких автомобилей. Решением этих вопросов будет охвачена как территория Северной Америки, так и Европы. В США и Канаде построят не менее 700 заправочных станций к 2023 г. В европейских странах этот процесс стартует с 2022 г. А через восемь лет сеть таких терминалов покроет практически всю территорию развитых стран Старого Света. По словам руководителя фирмы Тревора Милтона, топливо будет вырабатываться при помощи электролиза с использованием энергии от 100-мегаваттных солнечных электростанций. Компаньоном американцев в этом вопросе собирается стать норвежская фирма Nel Hydrogen. Так что электрогрузовики Nicola на водородных топливных элементах не должны испытывать проблем с заправкой. Озвучена и цена Nicola One – $375 000.
Anglo American создает водородный самосвал для горных работ
Добыча полезных ископаемых остается одной из самых «грязных» отраслей экономики, но прогрессивные экологичные технологии приходят и в эту сферу. Горные самосвалы традиционно работают на дизельном топливе, которое не только вредит окружающей среде, но и создает логистические проблемы добывающим компаниям, так как доставлять его приходится в отдаленные районы планеты. Проблему предлагается решить путем перевода тяжелых машин на водородное топливо.
Французская энергетическая компания Engie и добывающий гигант Anglo American, которому принадлежит 85% алмазной монополии De Beers, объявили о заключении партнерского соглашения для создания первого карьерного самосвала на водородном топливе. Anglo American обещает свести до нуля весь выброс отработанного углеводородного топлива и в партнерстве с Engie планирует заменить дизельные баки водородными баллонами, а ДВС – топливными ячейками и батареями. Использование водородных самосвалов в подземных шахтах также позволит снизить расходы добывающей компании на вентиляцию, увеличив в конечном итоге прибыльность ее деятельности.
Первый тяжелый самосвал на водородном топливе пройдет испытания и сертификацию на карьере Anglo Americam Mogalakwena Platinum Group Metals в Южной Африке, и при их успешном завершении опыт будет перенесен на другие объекты. Солнечные установки на территории карьеров будут обеспечивать процесс электролиза в производстве водорода.
В мире реализуется все больше водородных проектов с различными типами техники: в космосе, авиации, на железнодорожном транспорте, в складской технике на водородных топливных элементах. Появляются компании, которые внедряют водородные технологии в промышленность, в некоторых случаях создаются целые электрические станции, работающие на водородном топливе. Новая технология успешно покоряет планету и значительно сократит в будущем потребности в ископаемом топливе.
